ISE Fact sheet 2019

Seltenen Erden – wichtige Ressourcen für Hochtechnologie

Hochtechnologische und umwelttechnische Anwendungen der Seltenerdelemente (Seltenen Erden) haben in den letzten vier Jahrzehnten dramatisch an Vielfalt und Bedeutung zugenommen. Viele dieser Anwendungen sind hochspezifisch, da die Ersatzstoffe für die Seltenen Erden minderwertig oder unbekannt sind, haben die Seltenen Erden eine technologische Bedeutung erlangt, die weitaus höher ist als aufgrund ihrer relativen Unbekanntheit erwartet. Obwohl sie tatsächlich häufiger vorkommen als viele bekannte Industriemetalle, tendieren die Seltenen Erden eher dazu, sich auf nicht verwertbare Erzvorkommen zu konzentrieren. Folglich stammt der größte Teil des weltweiten Angebots aus nur wenigen Quellen. Die Vereinigten Staaten und Europa waren in Bezug auf Seltenen Erden früher weitgehend autark, sind jedoch in den letzten zehn Jahren von Importen aus China abhängig geworden.

Die Seltenerdelemente (Seltenen Erden) bilden die größte chemisch kohärente Gruppe im Periodensystem. Obwohl im Allgemeinen nicht bekannt, sind die Seltenen Erden für viele Hunderte von Anwendungen unerlässlich. Die Vielseitigkeit und Spezifität der Seltenen Erden hat ihnen ein Maß an technologischer, ökologischer und wirtschaftlicher Bedeutung verliehen, das erheblich höher ist, als man von ihrer relativen Unbekanntheit erwarten könnte. In den Jahren 1999 und 2000 stammten mehr als 90% der von der US-Industrie geforderten Seltenen Erden aus Lagerstätten in China.

Abbildung 1. Globale Produktion von Seltenerdelementen (1 kt = 106 kg) von 1950 bis 2000 in vier Kategorien: USA, fast ausschließlich aus Mountain Pass, Kalifornien; China, aus mehreren Lagerstätten; alle anderen Länder zusammen, größtenteils aus Monazit tragenden Placern; und globale Summe. Vier Produktionsperioden sind erkennbar: die Monazit-Placer-Ära, die Ende des 19. Jahrhunderts begann und 1964 abrupt endete; die Gebirgspass-Ära, die 1965 begann und ungefähr 1984 endete; eine Übergangszeit von etwa 1984 bis 1991; und die chinesische Ära, die ungefähr 1991 begann. Bildquelle: USGS

Obwohl die 15 natürlich vorkommenden Seltenen Erden (Tabelle 1; Abb. 2) in ihren geochemischen Eigenschaften im Allgemeinen ähnlich sind, sind ihre individuellen Vorkommen auf der Erde keineswegs gleich. In der kontinentalen Kruste und ihren Seltenen Erden-Erzvorkommen unterscheiden sich die Konzentrationen des am häufigsten und am wenigsten häufig vorkommenden Seltenen Erden typischerweise um zwei bis fünf Größenordnungen (Abb. 3). Da sich die technologischen Anwendungen von Seltenen Erden in den letzten Jahrzehnten vervielfacht haben, ist die Nachfrage nach einigen der weniger häufig vorkommenden (und ehemals recht unerfoschten Seltenen Erden dramatisch gestiegen.

Die vielfältigen nuklearen, metallurgischen, chemischen, katalytischen, elektrischen, magnetischen und optischen Eigenschaften der Seltenen Erden haben zu einer immer größeren Vielfalt von Anwendungen geführt. Diese Anwendungen reichen von banal (Feuerzeuge, Glaspolieren) über Hightech (Leuchtstoffe, Laser, Magnete, Batterien, Magnetkühlung) bis hin zu futuristisch (Hochtemperatursupraleitung, sichere Speicherung und Transport von Wasserstoff für eine Wirtschaftlichkeit nach Kohlenwasserstoffen).

Einige Anwendungen der Seltenerdelemente

Viele Anwendungen von Seltenen Erden zeichnen sich durch eine hohe Spezifität und einen hohen Einheitswert aus. Beispielsweise verwenden Farbkathodenstrahlröhren und Flüssigkristallanzeigen, die in Computermonitoren und Fernsehgeräten verwendet werden, Europium als roten Leuchtstoff; Ein Ersatz ist nicht bekannt. Aufgrund des relativ geringen Vorkommens und der hohen Nachfrage ist die EU ziemlich wertvoll – 250 bis 1.700 USD / kg (für Eu2O3) im letzten Jahrzehnt.

Glasfaser-Telekommunikationskabel bieten eine viel größere Bandbreite als die Kupferdrähte und -kabel, die sie weitgehend ersetzt haben. Glasfaserkabel können Signale über große Entfernungen übertragen, da sie periodisch beabstandete Längen von Erbium-dotierten Fasern enthalten, die als Laserverstärker fungieren. Er wird in diesen Laser-Repeatern trotz seiner hohen Kosten (~ 700 USD / kg) verwendet, weil es allein die erforderlichen optischen Eigenschaften besitzt.

Die Spezifität ist nicht auf die exotischeren Seltenen Erden wie Eu oder Er beschränkt. Cer, das am häufigsten vorkommende und kostengünstigste Seltenen Erden, hat Dutzende von Anwendungen, von denen einige hochspezifisch sind. Beispielsweise eignet sich Ce-Oxid in einzigartiger Weise als Poliermittel für Glas. Die Polierwirkung von CeO2 hängt sowohl von seinen physikalischen als auch von seinen chemischen Eigenschaften ab, einschließlich der beiden zugänglichen Oxidationsstufen von Cer, Ce, 3 + und Ce4 +, in wässriger Lösung. Praktisch alle polierten Glasprodukte, von gewöhnlichen Spiegeln und Brillen bis hin zu Präzisionsgläsern, sind mit CeO2 ausgerüstet.

Die Permanentmagnettechnologie wurde durch Legierungen revolutioniert, die Nd, Sm, Gd, Dy oder Pr enthalten. Kleine, leichte und hochfeste Seltenen Erden-Magnete haben die Miniaturisierung zahlreicher elektrischer und elektronischer Komponenten ermöglicht, die in Haushaltsgeräten, Audio- und Videogeräten, Computern, Automobilen, Kommunikationssystemen und militärischen Ausrüstungen verwendet werden. Viele der neuesten technologischen Innovationen (z. B. miniaturisierte tragbare Multi-Gigabyte-Laufwerke und DVD-Laufwerke) wären ohne Seltenen Erden-Magnete nicht möglich.

Die Umweltanwendungen von Seltenen Erden haben in den letzten drei Jahrzehnten deutlich zugenommen. Dieser Trend wird sich angesichts der wachsenden Besorgnis über die globale Erwärmung und Energieeffizienz zweifellos fortsetzen. Einige Seltenen Erden sind wesentliche Bestandteile sowohl von Crackkatalysatoren für Erdölflüssigkeiten als auch von Katalysatoren zur Kontrolle der Automobilverschmutzung. Die Verwendung von Seltenen Erden-Magneten reduziert das Gewicht von Kraftfahrzeugen. Die weitverbreitete Einführung neuer energieeffizienter Leuchtstofflampen (unter Verwendung von Y, La, Ce, Eu, Gd und Tb) für die institutionelle Beleuchtung könnte potenziell zu einer Verringerung der Kohlendioxidemissionen in den USA führen, die einem Drittel der derzeit im Straßenverkehr befindlichen Autos entspricht. Die großtechnische Anwendung der Magnetkältetechnik (im Folgenden beschrieben) könnte auch den Energieverbrauch und die CO2-Emissionen erheblich senken.

Lage im Periodensystem

Figure 2. Chemisches Periodensystem mit den 16 Seltenerdelementen 
(Seltenen Erden): die Lanthanoide La bis Lu sowie Y, deren geochemisches 
Verhalten praktisch mit dem der schwereren Lanthanoide identisch ist. 
Promethium hat keine langlebigen Isotope und kommt auf der Erde auf 
natürliche Weise nur in verschwindend geringen Mengen vor. An stellt die 
ersten 14 Aktinidenelemente dar; Lr ist der letzte Aktinid.

In vielen Anwendungen sind Seltenen Erden aufgrund ihrer relativ geringen Toxizität vorteilhaft. Beispielsweise enthalten die gebräuchlichsten Arten von wiederaufladbaren Batterien entweder Cadmium (Cd) oder Blei. Wiederaufladbare Lanthan-Nickel-Hydrid-Batterien (La-Ni-H) ersetzen allmählich Ni-Cd-Batterien in Computer- und Kommunikationsanwendungen und könnten schließlich Blei-Säure-Batterien in Kraftfahrzeugen ersetzen. La-Ni-H-Batterien sind zwar teurer, bieten jedoch eine höhere Energiedichte, bessere Lade- und Entladeeigenschaften und weniger Umweltprobleme bei Entsorgung oder Recycling. Als weiteres Beispiel ersetzen mit La oder Ce hergestellte rote und rot-orange Pigmente herkömmliche kommerzielle Pigmente, die Cd oder andere toxische Schwermetalle enthalten.

Die nächste hochtechnologische Anwendung der Seltenen Erden, um die Reife zu erreichen, könnte die magnetische Kühlung sein. Die sechs Seltenen Erden-Ionen Gd3 + bis Tm3 + haben aufgrund ihrer mehreren ungepaarten Elektronen ungewöhnlich große magnetische Momente. Eine neu entwickelte Legierung, Gd5 (Si2Ge2), mit einem „gigantischen magnetocalorischen Effekt“ in der Nähe der Raumtemperatur wird es Berichten zufolge ermöglichen, dass die magnetische Kühlung mit der konventionellen Gaskompressionskühlung konkurrenzfähig wird. Diese neue Technologie könnte in Kühlschränken, Gefriergeräten sowie Klimaanlagen für Privathaushalte, Gewerbe- und Kraftfahrzeuge eingesetzt werden. Die magnetische Kühlung ist wesentlich effizienter als die Gaskompressionskühlung und erfordert keine Kältemittel, die entflammbar oder giftig sind, die Ozonschicht der Erde abbauen oder zur globalen Erwärmung beitragen.

Seltenen Erden Vorkommen

„Seltene“ Erdelemente sind eine historische Fehlbezeichnung. Die Beharrlichkeit des Begriffs spiegelt eher Unbekanntheit als wahre Seltenheit wider. Die am häufigsten vorkommenden Seltenen Erden ähneln in ihrer Krustenkonzentration üblichen Industriemetallen wie Chrom, Nickel, Kupfer, Zink, Molybdän, Zinn, Wolfram oder Blei (Abb. 4). Sogar die beiden am wenigsten vorkommenden Seltenen Erden (Tm, Lu) sind fast 200-mal häufiger als Gold. Im Gegensatz zu gewöhnlichen Grund- und Edelmetallen tendiert Seltenen Erden jedoch kaum dazu, sich auf verwertbare Erzvorkommen zu konzentrieren. Folglich stammt der größte Teil des weltweiten Seltenen Erden-Angebots aus nur wenigen Quellen.

Unterschiede in der Häufigkeit einzelner Seltenen Erden in der oberen Kontinentalkruste der Erde (Abb. 3, 4) stellen die Superposition von zwei Effekten dar, einem nuklearen und einem geochemischen. Erstens hat Seltenen Erden mit geraden Ordnungszahlen (58Ce, 60Nd,…) eine größere kosmische und terrestrische Häufigkeit als benachbarte Seltenen Erden mit ungeraden Ordnungszahlen (57La, 59Pr,…). Zweitens sind die leichteren Seltenen Erden inkompatibler (weil sie größere Ionenradien aufweisen) und daher stärker in der Kontinentalkruste konzentriert als die schwereren Seltenen Erden. In den meisten Seltenerdvorkommen machen die ersten vier Seltenen Erden – La, Ce, Pr und Nd – 80 bis 99% der Gesamtmenge aus. Daher sind Ablagerungen besonders wünschenswert, die relativ hohe Grade an knapperem und wertvollerem schwerem Seltenen Erden (Schwere Seltenen Erden: Gd bis Lu, Y) und Eu enthalten.

Abbildung 3. Preise und Häufigkeit der Seltenerdelemente.
Die Preise sind für 1999 oder 2000 in US-Dollar pro 
Kilogramm Seltenen Erden-Metall in zwei Formen angegeben:
 (1) als Oxide in Verpackungen von 2 bis 25 kg mit einer
 Reinheit von 95 bis 99,99%; (2) als 0,1 bis 0,45 kg 
Metallblock mit einer Reinheit von 99,9%. Zwei 
repräsentative Seltenen Erden-Erze - hochgradiges 
Karbonatiterz aus Mountain Pass, Kalifornien, und 
Laterit-Ionenadsorptionserz aus Südchina - werden mit 
der oberen Kontinentalkruste der Erde verglichen. Z, 
Ordnungszahl. Bildquelle USGS

Diagramm, das die Häufigkeit chemischer Elemente in der 
oberen Kontinentalkruste der Erde als Funktion der 
Ordnungszahl zeigt Figure 4. Häufigkeit (Atomfraktion) 
der chemischen Elemente in der oberen Kontinentalkruste 
der Erde als Funktion der Ordnungszahl. Viele der 
Elemente werden in (teilweise überlappende) Kategorien 
eingeteilt: (1) Gesteinsbildende Elemente 
(Hauptelemente im grünen Bereich und Nebenelemente im 
hellgrünen Bereich); (2) Seltenerdelemente (Lanthaniden,
La-Lu und Y; blau markiert); (3) Hauptindustriemetalle 
(weltweite Produktion> ~ 3x107 kg / Jahr; fett gedruckt);
(4) Edelmetalle (kursiv); und (5) die neun seltensten 
"Metalle" - die sechs Elemente der Platingruppe plus Au,
Re und Te (ein Metalloid). Bildquelle: USGS

Seltenerdelement-Ressourcen

Von der Entdeckung des Seltenen Erden (im Zeitraum 1794–1907) bis Mitte der 1950er Jahre wurden einige der Seltenen Erden in bescheidenen Mengen aus Monazit-haltigen Placern und Venen, aus Pegmatiten und Karbonatiten sowie als Nebenprodukte von Uran und hergestellt Niob-Extraktion. Während dieser Zeit waren die mittleren und schweren Seltenen Erden im Allgemeinen in reiner Form nur in Mengen von weniger als einem Kilogramm verfügbar und waren hauptsächlich chemische Kuriositäten.

1949 wurde am Mountain Pass in der kalifornischen oberen Mojave-Wüste ein Karbonatit-Angriff mit außergewöhnlichem Gehalt an leichtem Seltenen Erden (8 bis 12% Seltenerdoxide [REO]) entdeckt (Abb. 5). Die Seltenen Erden am Gebirgspass werden hauptsächlich von Bastnäsit, (Ce, La, Nd,…) CO3F und verwandten Mineralien beherbergt. Bis 1966 war diese einzige, erstklassige Lagerstätte (im Besitz von Molycorp, Inc.) die wichtigste Quelle für Seltenen Erden in den USA. Die frühe Entwicklung wurde weitgehend durch die plötzliche Nachfrage nach EU gestützt, die durch die Kommerzialisierung des Farbfernsehens entstanden war. Der Gebirgspass ist mit einem durchschnittlichen Gehalt von 9,3% und Reserven von 20 Millionen Tonnen (Mt) REO (bei einem Grenzwert von 5%) die einzige große Erzlagerstätte, die ausschließlich aufgrund ihres Seltenen Erden-Gehalts abgebaut wurde. Der Gebirgspasserz wird sehr stark vom leichten Seltenen Erden dominiert (Abb. 3, 6). Nichtsdestotrotz ermöglichten die großen Mengen an aufbereitetem Erz und die Entwicklung von Lösungsmittelextraktionstechniken zur großtechnischen Trennung einzelner Seltenen Erden voneinander die Gewinnung mehrerer mittlerer Seltenen Erden. Eine erhöhte Verfügbarkeit führte wiederum zu Anwendungen für diese ehemals exotischen Elemente.

Von 1965 bis Mitte der 1980er Jahre war Mountain Pass die dominierende Quelle von Seltenen Erden, und die Vereinigten Staaten und Europa waren in Seltenen Erden weitgehend autark. Seit 1985 hat die Produktion von Seltenen Erden in China dramatisch zugenommen (Abb. 1). Die chinesische Seltenen Erden-Produktion stammt hauptsächlich aus zwei Quellen. Das wichtigste ist das Eisen-Niob-Seltenen Erden-Vorkommen Bayan Obo in der Inneren Mongolei. Diese Lagerstätte weist geologische Affinitäten sowohl zu Karbonatit-Seltenen Erden-Lagerstätten als auch zu hydrothermalen Eisenoxid- (-Cu-Au-Seltenen Erden-) Lagerstätten wie Olympic Dam, Australien, und Kiruna, Schweden, auf. Die Noten bei Bayan Obo sind 3% bis 6% REO; Reserven sind mindestens 40 Mt, möglicherweise erheblich mehr. Die zweite Hauptquelle für chinesische Seltenen Erden sind Ionenadsorptionserze in lateritischen Verwitterungskrusten, die auf Granit- und Syenitgesteinen im tropischen Süden Chinas entwickelt wurden. Diese Oxiderze zeichnen sich durch einen relativ hohen Anteil an schweren Seltenen Erden aus (Abb. 6) und insbesondere durch eine einfache Gewinnung der Seltenen Erden.

Die Anzahl der bearbeitbaren Seltenen Erden-Lagerstätten, die bereits durch die geochemischen Eigenschaften der Seltenen Erden stark eingeschränkt sind, wurde in den letzten Jahren auch von Umwelt- und regulatorischen Faktoren beeinflusst. Monazit, das am häufigsten vorkommende Seltenen Erden-Mineral, enthält im Allgemeinen einen erhöhten Thoriumspiegel. Th selbst ist zwar nur schwach radioaktiv, wird aber von hochradioaktiven Tochterzwischenprodukten, insbesondere Radium, begleitet, die sich bei der Verarbeitung ansammeln können. Die Besorgnis über die Gefährdung durch Radioaktivität hat Monazit als signifikante Quelle von Seltenen Erden weitgehend beseitigt und sich auf die wenigen Vorkommen konzentriert, in denen die Seltenen Erden in anderen, niedrig-th-haltigen Mineralien, insbesondere Bastnäsit, vorkommt.

Probleme bei der Versorgung mit Seltenerdelementen

In den letzten Jahren war die einzige inländische Quelle von Seltenen Erden, die Mine in Mountain Pass, Kalifornien, nur sporadisch ausgelastet. Aufgrund von Umwelt- und regulatorischen Problemen mit der Hauptabwasserleitung wurde die Seltenen Erden-Separationsanlage (Lösungsmittelextraktion) stillgelegt. Mountain Pass produziert derzeit nur Bastnäsit-Konzentrate und verkauft getrennte Seltenen Erden nur aus Lagerbeständen, die vor dem Stillstand produziert wurden. Selbst nachdem die regulatorische Situation geklärt ist, ist die langfristige Rentabilität von Mountain Pass als Anbieter von getrenntem Seltenen Erden für High-Tech-Anwendungen durch Marktfaktoren bedroht.

Foto mit der Seltenerdelementmine Mountain Pass

Molycorp Mine, Clark Mountain

Clark Mountain

Molycorp Mine

In den Jahren 1999 und 2000 wurden fast alle (mehr als 90%) der in den Vereinigten Staaten und Europa verwendeten getrennten Seltenen Erden entweder direkt aus China oder aus Ländern importiert, die ihre Pflanzenfuttermittel aus China importierten. Der überraschend rasche Übergang von der Selbstversorgung vor etwa 1990 zu einer nahezu vollständigen Abhängigkeit von Einfuhren aus einem einzigen Land ist heute mit einer Reihe von ursächlichen Faktoren verbunden. Dazu gehören viel niedrigere Arbeits- und Regulierungskosten in China als in den Vereinigten Staaten und Europa. Fortsetzung des Ausbaus der Elektronik- und anderen Fertigungsindustrie in Asien; die günstige Anzahl, Größe und der günstige schwere Seltenen Erden-Gehalt chinesischer Vorkommen; und die anhaltenden Umwelt- und regulatorischen Probleme am Mountain Pass. China beherrscht jetzt die weltweiten Seltenen Erden-Märkte (Abb. 1) und wirft einige wichtige Fragen der Seltenen Erden-Versorgung für die Vereinigten Staaten und Europa und EU auf:

(1) Die Vereinigten Staaten und Europa laufen Gefahr, ihre langjährige Führungsrolle in vielen Bereichen der Seltenen Erden-Technologie zu verlieren. Durch den Transfer von Fachwissen in Bezug auf Seltenen Erden-Verarbeitungstechnologie und Seltenen Erden-Anwendungen aus den USA und Europa nach Asien konnte China eine bedeutende Seltenen Erden-Industrie aufbauen, die alle anderen Länder bei der Produktion von Erz und raffinierten Produkten in den Schatten stellt. Das chinesische Ministerium für Wissenschaft und Technologie hat kürzlich ein neues nationales Grundlagenforschungsprogramm angekündigt. Unter den ersten 15 vorrangig zu finanzierenden Projekten befand sich „Grundlagenforschung für Seltenerdmaterialien“ (Science, 18. Dezember 1998, S. 2171).

(2) Die Abhängigkeit der USA von Einfuhren aus China tritt zu einem Zeitpunkt ein, an dem die Seltenen Erden in Verteidigungsanwendungen, einschließlich Düsenjägermotoren und anderen Flugzeugkomponenten, Raketenleitsystemen, elektronischen Gegenmaßnahmen, Erkennung von Unterwasserminen, Raketenabwehr, Entfernungsmessung, weltraumgestützte Satellitenstromversorgungs- und Kommunikationssysteme zunehmend an Bedeutung gewonnen haben.

(3) Die Verfügbarkeit chinesischer Seltenen Erden für US-Märkte hängt von der anhaltenden Stabilität in Chinas Innenpolitik und Wirtschaft sowie von seinen Beziehungen zu anderen Ländern ab.

(4) Obwohl die gegenwärtig niedrigen Seltenen Erden-Preise, die durch das reichliche Angebot aus China verursacht werden, die Hersteller, insbesondere den Molycorp Bergpass belasten, werden niedrige Preise auch die Entwicklung neuer Anwendungen angeregt. In einem kürzlich erschienenen Chemietext heißt es beispielsweise, dass „… für viele Jahre die Hauptanwendung von Lutetium die Untersuchung des Verhaltens von Lutetium war…“ Mehrere vielversprechende Anwendungen für Lu sind bekannt, aber die meisten sind mit hohen Kosten verbunden. Wenn der Preis von Lu von vielen Tausend auf einige Tausend Dollar pro Kilogramm sinken würde (Abb. 3), würden zweifellos zusätzliche hochtechnologische Anwendungen folgen, selbst für diese am wenigsten verbreiteten Seltenen Erden. Wie groß die Rolle der Vereinigten Staaten und Europa bei der künftigen Expansion der Seltenen Erden-Technologie und -Märkte sein wird, bleibt eine wichtige, aber offene Frage.

Figure 6. Anteile einzelner Seltenen Erden in zwei 
repräsentativen Erzen: Bastnäsit, dominiert von La, 
Ce und Nd, wobei Eu bis Lu plus Y nur 0,4% betragen;
und lateritisches Ionenadsorptionserz, Y-dominiert. 
Dunkelblaue und hellblaue Sektoren stehen für 
Lanthanoide mit gerader bzw. ungerader Ordnungszahl 
(siehe Abb. 2, 3). Yttrium ist grün markiert. 
Bildquelle: USGS

Die Elemente der Seltenen Erden sind für ein vielfältiges und wachsendes Spektrum von Hochtechnologieanwendungen, die einen wichtigen Teil der industriellen Wirtschaft der Vereinigten Staaten und Europa ausmachen, von wesentlicher Bedeutung. Langfristiger Mangel oder Nichtverfügbarkeit von Seltenen Erden würde erhebliche Veränderungen in vielen technologischen Aspekten der westlichen Gesellschaft erzwingen. Bekannte und potenzielle heimische Seltenen Erden-Quellen können daher für Wissenschaftler und politische Entscheidungsträger im öffentlichen und privaten Sektor zu einem immer wichtigeren Thema werden.

Quellen: US Geological Survey | Geologische Abteilung |
Mineral Resources Team | Innenministerium | Roskill | 
Institut für Seltene Erden und Metalle

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